文摘
采取物流时间、物流成本和碳排放作为优化目标,航空运输是包含在跨境物流路径优化的多通道运输。考虑运输的规模效应,跨境物流路径的多目标优化模型包括道路、水、铁路、构造和空气。跨境物流路径的问题以及城市的“路”的地方,带通过NSGA-II内陆研究方法。研究结果表明,成都和西安应该承担大量的跨境航空运输和建设作为国家机场物流中心。外国跨国航空运输的目的地分布在不同地区,东部主要在东欧和中欧。优化结果表明,如果有1-fold增加物流成本,物流时间可以减少1.37折后跨国航空运输在模型中加入。这样的结果有效地指导了从跨境水运过渡到跨境航空运输。
1。介绍
“带和道路”是一个主要的国家计划对中国开放。它旨在促进贸易发展中国和这些国家之间的互连”带和道路。“有效跨境物流可以促进国际事务处理和促进国际贸易的发展1]。在中国,不同地区的经济发展是不平衡的,内陆地区的物流发展水平通常是缓慢的。在某种程度上,尽管“中铁快运”加强了内陆地区的跨境物流能力,它的功能仍然是非常有限的。以中国西部地区为例,根据“腰带和路贸易合作大数据报告”发布的国家信息中心,在该地区的跨境运输皮带和道路”国家主要是通过水路运输和公路运输,占出口总额的78%的货物,而航空运输和铁路运输约占出口总额的15%和4%分别运费。中国内陆地区过度依靠水运沿海港口和高度污染的公路运输。这不仅阻碍跨国物流和贸易的发展,但也有一个负面影响贸易的整个“带和道路”倡议。因此,基于现有的交通设施,内陆地区有效地组织跨境物流根据他们的交通条件,这是提高的关键中国和这些国家之间的互连程度沿着“带和道路”。
跨境物流具有长途运输的特点,通常采用多通道运输(2- - - - - -5]。目前,跨国多通道运输的理论研究主要侧重于road-sea多通道运输、路轨多模式交通和road-rail-sea多通道运输。这些研究都是通过开发一个数学模型进行了优化。根据不同的优化目标,他们可以分为两类:
一个是构造一个简略最小化物流成本优化模型。例如,一些学者不仅考虑运输成本,还要考虑运输成本、存储成本和运输规模效应当建立一个优化模型(6- - - - - -8]。其中,Zhang et al。6)提出了一个基本的框架来解决多通道运输路径优化的问题,为未来的研究提供了一个坚实的基础。这些研究没有考虑物流效率和环境因素,因此,时间和碳排放限制在他们的模型都不存在。然而,高质量的经济发展的趋势,物流效率和环境因素已成为跨境物流运输的重要目标。学者们进一步研究优化模型,包括时间窗约束添加到优化模型(9- - - - - -11)或添加物流时间和碳排放物流成本优化(12- - - - - -15]。此外,一些学者研究了模型不确定性(下16- - - - - -18]。
另一个是跨境物流构建一个多目标优化模型,包括物流成本,物流时间,和碳排放19- - - - - -21]。简略优化模型很难平衡物流,物流成本和碳排放19]。由于低碳政策的发布,一些学者都集中在跨境物流路径的优化低碳政策下(22- - - - - -24]。优化上述文献的结论是road-sea多模式运输和road-rail-sea多模式交通的比例远高于road-sea多通道运输。这样的结果表明,重要的是支持路轨多通道运输和road-rail-sea多模式交通建设干燥的港口。我们可以发现,航空运输的探索跨境多通道交通不在现有的理论研究。
2018年12月,物流中心有关部门公布的政策是中国政府。2019年9月和2020年10月,有23个城市和22个城市分别成为全国性的物流中心。在这些城市中,有13个干端口类型国家物流中心,14个seaport-type国家物流中心,国家物流中心和3个机场。自中国内陆城市远离海港,空气和铁路运输是重要的方式对他们进行跨境物流。然而,内陆城市在中国主要是建立干燥的港口物流中心,而现有的机场国家物流中心只有北京、郑州和深圳。因此,航空运输的重要性在内陆城市和航空运输的影响对跨境物流沿着“腰带和路”需要探索。
这项研究包含了航空运输的理论框架跨境交通多通道。物流成本,物流时间和碳排放作为优化目标,跨境物流路径优化模型包括水、铁路、空气、和道路。本研究不仅提高了多通道运输但还提供了决策理论的跨境物流运输机场和国家物流中心建设内陆地区。
2。建设跨境物流路径优化模型
2.1。跨境运输问题的抽象描述
跨境运输,由不同类型的交通节点,从国内运输货物供应来源到国外目的地。如图1,不同类型的交通节点是由不同的图形,包括国内的供应来源 ,国内干燥的港口 ,国内机场 ,国内港口 ,外国干港口 ,国外机场 ,外国海港 ,和外国目的地 。其中,节点代表不同的交通模式之间的通道,包括公路运输、铁路运输、航空运输和水路运输。铁路运输涉及国内铁路运输和跨境铁路运输。不同交通节点之间的通道导致多条路径多通道运输。
如图1,可以选择四种多通道运输模式来跨境运输货物的国内的供应来源外国目的地 。(1)货物运输首先从国内的供应来源国内港口通过公路运输,那么外国海港通过水路运输,最后到国外目的地通过公路运输。这种模式是road-sea多通道运输。(2)货物运输首先从国内的供应来源国内干燥的港口通过公路运输,然后国内港口通过铁路运输,然后外国海港通过水路运输,最后到国外目的地通过公路运输。这种模式是road-rail-sea多通道运输。(3)货物运输首先从国内的供应来源国内干燥的港口通过公路运输,那么外国干港口通过跨境铁路运输,最后到国外目的地通过公路运输。这是路轨多通道运输方式。(4)货物运输首先从国内的供应来源国内机场通过公路运输,那么外国机场通过航空运输,最后到国外目的地通过公路运输。这种模式是road-air多通道运输。
当货物运输从国内的供应来源外国目的地 ,不仅有四个多通道运输模式选择也很多不同的跨境物流路径在每个模式。每一个跨境物流路径是伴随着物流成本,物流时间和碳排放。跨境物流路径优化的目的是找出最好的跨国物流路径从众多物流路径对应于四个多模式交通模式,以实现物流成本的优化,物流时间和碳排放。
2.2。一个Bi-Objective跨境物流路径优化的混合整数规划模型
根据该方法在文献[14),本研究将排放转化为碳税成本和整合了物流成本。bi-objective(物流成本和物流时间)混合整数规划模型构建的基础上在这个研究的四个多通道运输图1。
2.2.1。模型参数和变量
将决策变量设置如下:随着road-sea多通道运输模式决策变量,随着road-rail-sea多通道运输模式决策变量,路轨多通道运输方式决策变量,随着road-air多通道运输模式决策变量。这些决策变量是二进制变量。如果某个采用多通道运输模式,相应的决策变量是1;否则,决策变量为0。此外,需要选择相关参数包括单位运输成本、碳排放,运输距离,固定成本,存储,运输速度、体积和运费。表中列出的具体参数符号和意义1。
2.2.2。模型目标函数
至于跨境物流路径优化,有两个目标函数包括跨境物流成本和跨境物流时间bi-objective混合整数规划模型。
跨境物流成本包括运输成本,固定成本在每个港口,从碳排放和碳税成本转换交通工具。考虑到铁路运输规模效应,总运输成本的增长率将放缓货运量增加。因此,一个常数单位运输成本可以等同于视为货运量下降。根据货物大小的体积,货运量下降可以与不同的折扣因素分为三个区间,即表示为原始的货运量的折现系数乘以相应的区间[25]。因此,成本目标函数构造如下:
第一部分的目标函数road-sea多通道交通运输成本和碳税成本。第二部分是road-rail-sea的运输成本和碳税成本多通道运输的规模效应。第三部分是路轨的运输成本和碳税成本多通道运输规模效应。第四部分是运输成本和碳排放税road-air多模式运输成本。最后一部分是固定成本在每个港口,和二进制变量包括 , ,和表明是否机场、干燥的港口和海港分别提供服务。
跨境物流包括运输时间和存储在每个端口。运输时间是两个物流节点之间的距离除以速度。因此,构造目标函数如下:
目标函数的第一部分的运输时间road-sea多通道运输和国内外港口的存储时间。第二部分的运输时间是road-rail-sea多通道运输和国内的存储时间,外国海港,国内干燥的港口。的运输时间是第三部分的路轨多通道运输和存储时间国内外干燥的港口。第四部分是road-air多模式运输的运输时间和国内外机场的存储时间。
2.2.3。约束条件
必须满足的约束条件模型中的变量如下:
其中,约束条件(3)表明,只有一个多通道运输模式可用于跨境运输。约束条件(4)(8)表明,多通道模式通过这个端口后才可采用相应的海港,机场,或干端口已被通过。约束条件(9)表示变量的约束是二进制变量。
3所示。优化模型的解的跨境物流路径:遗传算法
bi-objective整数规划模型的跨境物流路径优化、物流成本和物流时间的两个优化目标不能同时优化。因此,如何平衡这两个优化目标的重要性是获得最优跨境物流的关键路径。下面的方法解决现有文献中的多个目标函数(22,26,27),遗传算法用于查找物流成本和物流时间的帕累托最优解。在解决过程中,本研究采用NSGA-II算法(28确保人口的多样性和较高的计算效率。该算法不能直接计算染色体的适应度来选择最优解像简略算法,用于选择最优解时通过计算nondominated排序级别和每个染色体的拥挤距离。最优解决方案进一步优化,遗传操作和重复,直到获得的解决方案是超越其它染色体在两个目标在一个指定的最大数量的后代。最优的解决方案被称为帕累托最优解集。具体过程如下:
3.1。染色体编码和解码的跨境物流路径
在这项研究中,整数编码的染色体编码。每个染色体代表一个跨境物流路径与8位码。的第一部分的代码是染色体多通道运输模式,第二部分是通过港口的代码。特定的编码结构如图2。
的第一部分染色体包括前四码、代表不同的多模式交通模式。road-sea多模式交通,road-rail-sea多通道运输、公路铁路多通道运输、和road-air多模式交通,先后。代码是作为一个从0到1的整数。如果选择了多通道运输模式,代码为1,否则,代码为0。因为只有一个多通道模式可以选择为每个跨境物流路径,只有其中一个4比特编码是1。
的第二部分染色体由过去四码代表港口通过的数量。他们在国内干港口或机场,国内港口,外国干港口或机场,和外国海港,先后。由于干燥的港口和机场不出现在相同的多通道运输模式,它们是由相同的位置代码。代码的第二部分是作为不同端口的数量( , , ,和 )或0。如果通过任何港口,对应的代码是这个端口的数量,否则,代码为0。第二部分的染色体是由第一部分的染色体。例如,在road-sea多通道运输模式,代码代表海港的端口号,而代表其他港口的代码是0。具体的图中给出了解码过程3。
如图3根据第一部分的染色体,众所周知,染色体是road-sea多通道运输模式。第二部分的染色体,通过公路运输货物运输从货源到国内港口3,然后通过跨境水路运输到外国海港4,最后通过公路运输到目的地。
3.2。NSGA-II算法流程
3.2.1之上。Nondominated排序和计算拥挤距离
初始化代码获得跨境物流路径的初始种群。计算两个目标函数值为每个跨境物流路径的人口。这样的结果表明,每个物流路径nondominated排序,和最少的主导的物流路径选择。此外,物流路径的拥挤距离在同一等级计算,以确保人口的多样性。如图4,任何物流路径的拥挤距离的区别是两个相邻的物流路径,和拥挤距离的节点可以通过方程计算(10)- (12)[29日]。方程(11)和(12)表示节点之间的区别 和节点目标函数(1)和目标函数(2),分别。完成后的排序和拥挤距离的计算物流路径,物流路径最少的占主导地位的最大的拥挤距离排序和选择候选人的数量。
3.2.2。选择
锦标赛选择算法用于模拟消除系统[13在这项研究中。一定数量的跨境物流路径从人口比较每次随机选择,选择和跨境最佳物流路径加入下一代人口。这个操作会一直重复,直到下一代人口达到数量的大小需要选中。
3.2.3。交叉和变异
基于一组交叉和变异概率,选择一些新的人口跨境物流路径交叉和变异。然后交叉和变异应该遵循2.1的编码规则,否则物流路径将被丢弃。墨伦(30.](模拟二进制交叉)和多项式变异[25)采用进一步增加种群的多样性,提高局部搜索能力,加快收敛。
3.2.4。精英主义的策略
当生成后代人口跨境物流路径,介绍了精英主义策略,确保获得最优解(28]。这种策略结合了父母的人口和后代人口一起竞争。这将导致增加的空间选择的物流路径,因此它有助于改善下一代更优的解决方案。
3.2.5。算法伪代码
基于上述算法设计、NSGA-II算法显示了算法的具体步骤1。
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4所示。“带和道路”跨境物流路径优化程序
4.1。运费和模型参数选择的城市
考虑的优化“腰带和路”跨境物流路径在内陆地区,本研究关注的关键区域,包括城市群在长江的中游,成渝城市群,中原城市群。在这些地区,宜宾等14个城市,宝鸡,大庆,洛阳选为国内的供应来源。根据指标如经济总量和贸易水平的外国城市沿着“带和道路,”11个城市,包括塔什干,Nur-Sultan和莫斯科,选择外国目的地。根据2018年发布的政府政策,10个城市如郑州、成都和西安都选为国内干燥的港口和国内机场,和6城市如上海、大连、连云港选为国内港口。同时,罗兹等10个城市阿拉木图和莫斯科选为外国干港口或外国机场、海防等6城市选为外国海港经济总量和基础设施的基础上,沿着“带和海外城市的道路。“由于良好的贸易发展和高水平的物流发展,一些城市如莫斯科和塔什干都是目的地和枢纽港口,表中列出2。
根据文献[23,31日,32),实际收集的数据,各种参数,如运输成本、碳排放因子,和速度,设置表中列出3和4(1元= 0.1547美元)[33]。然后平均存储时间在干燥的港口、机场、海港是12 h, 12 h和24小时(31日]。固定费用,提供的服务海港、干燥的港口,和机场是2000元,2000元,1500元,分别32]。
4.2。实验结果和分析
考虑到参数设置在相关文献[34,35)和我们的测试的结果,算法参数设置如下:人口数量是2000,迭代的最大数量是500,交叉的概率是0.9,变异的概率是0.01,指数分布的墨和多项式变异都是20。基于上述模型参数和算法参数,模型是由Python编程得到帕累托最优解集的跨境物流路径。从宝鸡到新德里的跨境物流路径为例,其最优帕累托解集的星形点,如图所示5。
根据该方法获取文献[帕累托满意的解决方案22),物流成本和物流时间的百分比变化五个帕累托图分析了解决方案5。其中,箭头所示的解决方案是帕累托令人满意的解决方案。这个解决方案的特点增加了物流成本至少可以节省大部分物流时间。物流路径对应于这个帕累托令人满意的解决方案是Baoji-Changsha-Guangzhou-Mumbai-New德里(road-rail-sea多模式运输)。这条道路的物流成本是232304 .24元,这条道路的物流时间是18.09天。同样,跨境物流最优路径对应于所有帕累托满意的解决方案从源到目的地,和有168个路径。其中,跨境物流最优路径的数量使用road-air多通道运输、公路铁路多通道运输、road-rail-sea多通道运输、和road-sea多模式交通是47岁,93年,26岁,分别和2。
简单的分析,road-sea多通道运输和road-rail-sea多通道运输统称为跨境水运输;同时,路轨多通道运输和road-air多通道运输被称为跨境水运和跨境航空运输,分别。根据国内的地理区域的供应来源,跨境物流路径分为五个地区包括中国的东北地区,中国的西北地区,中国的东南地区,中国的西南地区,中国的中部地区。
4.2.1。准备比例分析,优化跨境物流路径
交通方式的比例在五个地区跨境物流最优路径图6。
如图6,最高比例的运输模式是跨境铁路运输。它指出跨境铁路运输更应该通过内陆地区组织跨境物流。也就是说,中铁快运现在是一种强大的方法来提高跨境物流的能力在内陆地区,虽然比例最低的运输模式是在内陆地区跨境水路运输。尽管有跨境水路运输的最大优势在东南部地区,跨境水运输仅占9.1%。这表明,内陆地区不应该使用大量跨境水路运输组织跨境物流。跨国航空运输占重要的比例在所有最优跨境物流路径的内陆地区。其中,该地区比例最高的跨国航空运输是西北地区,达到了45.5%。跨国航空运输的中间比例的地区是西南地区和中部地区,达到30%和35%之间。跨国航空运输的比例最低的地区是东北地区和东南地区,分别达到了25%和18.2%。这样的结果表明,有一个巨大的潜力为西北地区,西南地区和中部地区组织跨境物流通过跨境航空运输。
然而,只有北京、深圳、郑州被构造成机场国家物流中心在现有国家物流中心根据最近的政府政策。因此,中国迫切需要建立国家airport-based西北和西南地区的物流中心,它可以优化,提高这两个地区的跨境空军后勤能力。
4.2.2。结果的分析优化跨境物流路径
跨境物流的运输模式从内陆地区外国目的地是不同的。从跨境物流路径优化的结果,跨境铁路运输占81%的中部和西部亚洲跨境物流路径。也就是说,当货物运输从亚洲中部和西部内陆地区,跨境铁路运输应该优先考虑,而目的地的内陆地区使用跨境水运输组织跨境物流南亚。它指出跨境水运应该放在首位,当货物从内陆地区运输到南亚。跨国航空运输占47%的跨境物流路径中欧和东欧。因此,货物从内陆地区运输到欧洲中部和东部,和跨境航空运输应该放在首位。其中,有89%的路径是通过罗兹在中欧和东欧明斯克。因此,罗兹和明斯克是重要的外国机场内陆地区组织跨境物流。
为了分析不同区域的最优跨境物流路径,跨境物流路径优化的结果给出了五个地区数据7- - - - - -10。
如数据所示7- - - - - -10从西北地区,货物运输主要是中欧和东欧,和部分中部和西部亚洲跨境航空运输。货物运输从西南地区主要是东欧和部分中央欧洲和中亚。货物运输从中部地区主要是东欧和中欧部分。尽管货物运输从东南地区和东北地区很少外国跨国航空运输的目的地,还有稳定的跨境物流路径的运输模式。其中,货物运输从东北地区到基辅的道路通过“Chengdu-Lodz”和货物运输从东南地区Xi 'an-Almaty塔什干通过的道路”。“因此,外国目的地是有差异的,每个地区的货物运输。因此,跨国航空运输的选择应基于上述结果。同样的,当内陆地区选择其他跨国跨境物流运输模式,跨境物流最优路径选择应该基于上述结果。
由于迫切需要机场建设全国物流中心在西北和西南地区,跨境物流最优路径的比例在每个机场枢纽内计算这两个区域。表中列出的结果5。
列在表5,最佳的比例跨境路径通过西安在西北地区和内陆地区是50%和30%,分别。的比例优化跨境路径通过成都西南地区和内陆地区的80%和53%,分别。其他机场枢纽,重庆只是通过几个最佳跨境物流路径。目前,根据国家物流中心的列表,西安和成都只是构造成干端口类型国家物流中心。因此,中国应该建立西安和成都机场国家物流中心在规划建设国家未来的物流中心。
4.2.3。引入的必要性分析跨国航空运输
本研究的主要理论贡献与理论研究框架整合航空运输的跨境物流多通道运输。因此,本研究比较上述跨境物流路径的优化结果与不含跨境航空运输,,重点分析物流成本和物流时间的优化目标。比较的结果给出了数据11和12。
如数据所示11和12,每个物流路径的物流成本和物流时间在这项研究进行了总结。所有的总物流成本最优跨境物流路径C1= 236554507元,总物流时间T1= 636.33天,而所有跨境物流最优路径的总物流成本不包括跨境航空运输C2= 71196217.86元,总物流时间T2= 2654.67天。因此,如果有一个1-fold增加物流成本,物流时间可以减少1.37折后加入跨国航空运输。减少物流时间远远大于增加的物流成本。
探讨影响跨境物流加入跨国航空运输后,本研究比较了运输比例的上述两个基于bi-objective优化最优结果。表6列表的结果比较。
列在表6,跨境物流路径优化的结果不包括跨境航空运输,运输跨境铁路运输和跨境水运输的比例分别为52.3%和47.7%,分别。在加入跨国航空运输,跨国航空运输的比例增加到28%,跨境水运下降至17%,而跨境铁路运输略增加到55%。因此,跨国航空运输的加入不会影响发展的“中铁快运”,但只会减少跨境水的沿海港口运输的压力。这样的结果将促进跨境物流的效率和贸易的发展沿着“带和道路”。
5。结论
选择是很重要的内陆地区跨境物流路径合理参与“腰带和路”倡议。在这项研究中,物流成本,物流时间和碳排放量作为优化目标,和一个混合整数规划模型的多目标优化跨境物流路径构造。我们集成创新航空运输的理论研究框架,然后探索跨境物流和航空运输的影响的重要性,建设机场物流中心在全国物流中心系统。NSGA-II算法获得最优跨境物流路径。
基于交通模式的比例优化跨境物流路径,跨境铁路运输更应该通过内陆地区,但跨国航空运输的重要性是不容忽视的。尽管中国西北和西南地区比例最高的跨国航空运输,没有国家机场物流中心这两个区域组织跨境物流。因此,根据最优的比例跨境路径穿过机场,成都和西安应该建造机场全国性的物流中心。此外,外国跨国航空运输目的地分布在不同的地区,主要在东欧和中欧东部。探索的影响加入跨国跨境物流空运,我们比较了跨境物流路径优化,包括航空运输。结果表明,如果有1-fold增加物流成本,物流时间可以减少1.37折,减少物流时间远远大于物流成本的增加。这样的结果有效地指导了从跨境水运过渡到跨境航空运输。因此,跨国航空运输可以扮演更重要的角色在跨境物流的“腰带和道路。“中国应加快建设国家机场物流中心在西北和西南。最佳的跨境运输路径的结果将提供直接依据内陆地区组织跨境物流通过考虑成本、时间和碳排放。我们的研究提供了重要的洞察力内陆地区更好地参与到“带和道路”倡议,提高对外开放的水平。 [36]。
数据可用性
之前报道的数据被用来支持本研究这些之前的研究(和数据)援引在文本里的相关位置的引用。
附加分
的意义。当前工作的理论意义在于将航空运输纳入跨境物流运输的多模式交通理论研究框架。在这篇文章中,内陆地区优化参与“一带一路”跨境物流路线,它是发现,成都和西安应该携带大量的跨国航空运输和构建国家级机场物流枢纽城市。此外,与没有航空运输的优化结果相比,优化后的结果增加跨境航空运输可以减少物流时间每增加1.37倍的物流成本。这表明在“腰带和路”跨境物流运输、跨国航空运输可以发挥更重要的作用。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
确认
这项工作得到了中国国家社会科学基金(20 bgl282)。作者支持深表感激。